Исследовательская работа "Методы выращивания кристаллов"

Оглавление

Введение………………………………………………………………………..3

Глава 1. Развитие кристаллографии……………………………………. ……5

Глава 2. Методы выращивания кристаллов…………………………..............7

Глава 3. Выращивание кристаллов……………………………………………8

       3.1. Исследование растворимости некоторых солей в воде…….............8  

  3.2. Выращивание монокристаллов………………………………... …....9

       3.3. Выращивание сростков кристаллов (друз)…………………... …….12

Заключение……………………………………………………………………..13

Список использованных источников……………………………….………...14

Приложения ……………………………………………………………………15

Введение

Выращивание кристаллов по истине увлекательное занятие и, пожалуй, самое простое, доступное и дешёвое для большинства начинающих химиков, максимально безопасное с точки зрения техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты в домашних условиях. Тщательная подготовка и выполнение оттачивают навыки в умении аккуратно обращаться с веществами и правильно организовывать план своей работы.

Наука о кристаллах началась с изучения горного хрусталя. Его блестящие бесцветные кристаллы впервые нашли ещё в древности, среди вечных снегов, в швейцарских Альпах. Некоторые кристаллы были настолько большие, что их с трудом могли поднять несколько силачей. Древние думали, что это особая форма замерзшей воды, и назвали вещество хрусталём (так по-гречески звучит слово «лёд»).        

        Со временем, стало конечно ясно, что горный хрусталь и лёд – разные вещества.

        Горный хрусталь – это чистый кристаллический кварц, соединение кремния и кислорода (SiO2). Но не менее красивы кристаллы кварца, окрашенные примесями в различные цвета: фиолетовые аметисты, жёлтые цитрины, коричневый дымчатый кварц, переливающиеся всеми цветами радуги опал и яшма. В Оружейной палате Московского Кремля есть одежда и короны русских царей, сплошь усыпанные кристаллами-самоцветами.

Среди них особенно много аметистов. Огромными густо-фиолетовыми аметистами украшена корона русской царицы Ирины Годуновой. В церквах аметистами украшали иконы, алтари и кресты.

        Самые знаменитые кристаллы – алмазы, которые после огранки превращаются в бриллианты. Разгадать тайну этих драгоценных камней люди пытались многие века. Когда же установили, что алмаз – одна из разновидностей углерода, никто не поверил! Действительно, ведь алмаз – символ не только богатства, но и необыкновенной твёрдости. А другая, самая распространённая в природе кристаллическая форма углерода – графит.

        Оказалось, что кристаллы, с которыми связано столько романтических (и кровавых) историй, и невзрачный чёрный графит состоят из одних и тех же атомов углерода. Решающий опыт провёл знаменитый французский химик Антуан Лавуазье. Он обнаружил, что при сжигании алмаза и обычного угля получается одно и то же вещество – углекислый газ.

        И алмаз, и графит – кристаллы. Почему же их свойства так различаются?

        Объясняется это различными способами взаимного соединения атомов углерода. В алмазе все связи между атомами углерода одинаковые и прочные,  а в кристалле графита атомы прочно связаны только в одном слое, а между слоями находятся слабые связи. Такой кристалл похож на пачку бумаги, его трудно разрезать пополам, но легко рассыпать на листочки.

        В природе алмазы образуются в недрах земли при высокой температуре и огромном давлении. Создать в лаборатории условия, при которых можно осуществить превращение из графита в алмаз, ученые смогли лишь спустя два столетия после опыта Лавуазье. Среди них есть алмазы, использующиеся в ювелирном деле, но основная масса идет на изготовление разнообразных инструментов, так как алмазы получаются слишком мелкие.

        Люди научились получать искусственно очень многие драгоценные камни. Например, подшипники для часов и других точных приборов давно делают из искусственных рубинов.

        Многие учёные, внесшие большой вклад в развитие химии минералогии и других наук, начинали свои первые школьные опыты именно с выращивания кристаллов. Опыты эти относительно просты, но результаты могут вызвать удивление и восхищение даже у тех, кто никогда не интересовался химией. [1, с.12].

Кристаллизация – очень распространенный в химии процесс, редко какое производство без него обходится. В наручных часах очень твердые рубины играют роль опор для вращающихся деталей. Из искусственного оптического флюорита делают призмы, линзы, окошки к вакуумным спектрографам, светофильтрам и другим приборам, принимающим ультрафиолетовые лучи. Фотоаппаратами с такими линзами можно производить съемку в темноте и тумане. Человек научился выращивать синтетические алмазы – самые твердые на свете кристаллы. В космических лабораториях были выращены кристаллы с высочайшей степенью однородности. В условиях невесомости вырастили монокристаллы в форме сплошных и полых сфер для шарикоподшипников. И новая отрасль XX века – получение жидких кристаллов. Конечно, на заводах выращивают кристаллы не ради красоты, но если получается красиво – это дополнительный плюс.

Меня заинтересовал процесс выращивания кристаллов и я начал заниматься исследовательской работой, поставив перед собой цель: вырастить несколько кристаллов определенной формы.

В процессе работы я поставил перед собой следующие задачи:

• Изучить литературу по выращиванию кристаллов в лабораторных условиях.
• Выяснить, как зависит процесс выращивания кристалла от различных условий.
• Выяснить, из любого ли вещества можно вырастить кристалл.
• Попробовать вырастить кристаллы заданной формы.

Глава 1. Развитие кристаллографии.

Кристаллографией называется наука, описывающая геометрические свойства кристаллов и их классификацию на основе понятия симметрии. Изучение кристаллической структуры лежит в основе физики твердого тела. Основная сумма данных кристаллографии была накоплена уже к концу IX века.

Образцы природных минералов, например берилла, алмаза или каменной соли, имеют плоские грани и прямые ребра, определяющие их типичный внешний вид. Такие вещества принято называть кристаллами, хотя еще до конца средних веков этот термин применялся исключительно к кварцу. Первые минералоги интересовались прежде всего именно формой кристаллов, т.е. их морфологией. Н. Стенон, датский лекарь при дворе великого герцога Тосканы и исследователь в области геологии, в 1669г открыл закон постоянства углов между гранями. Согласно закону Стенона, углы между соответствующими гранями кристалла данного вещества одни и те же для всех его кристаллов. Задолго до этого такие ученые, как Кеплер, Декарт, Гюйгенс и Гук, высказывали предположения о том, что внешние формы кристаллов отражают правильное (регулярное) внутреннее расположение сферических или эллипсоидальных частиц. В 1782 Р .Аюи обобщил эти представления. Он считал, что трехмерный кристалл, имеющий форму параллелепипеда, состоит из одинаковых «кирпичиков»[4, с. 26]. 

Хотя кристаллография сама по себе является довольно абстрактной областью науки, симметрия играет важную роль при описании физических свойств твердых тел. Например, трансляционная симметрия кристаллов позволила развить весьма общие теории, описывающие распространение волн в кристаллах, в том числе упругих волн и волн, связанных с движением электронов. Точечная симметрия также оказывает определяющее влияние на физические свойства кристаллов. В качестве примера можно указать на наличие сегнетоэлектрических свойств, в отсутствие внешнего электрического поля, лишь у кристаллов, не обладающих центром симметрии. Анизотропия физических свойств кристаллов, т.е. зависимость этих свойств от направления, также определяется условиями симметрии. Коротко можно сказать, что кристаллография отражает фундаментальный аспект физики твердого тела.

Глава 2. Методы выращивания кристаллов.

   Кристаллы (от греч. krystallos, первонач. - лед), твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку).   

Для изучения свойств тех или иных кристаллов необходимо приготавливать (выращивать) хорошие образцы – часто в форме монокристаллов самой высокой, насколько возможно, степени совершенства и химической чистоты. В качестве исходных необходимо использовать материалы высокой химической чистоты. Помимо обычных химических методов очищения, многие металлы и полупроводники могут быть очищены методом зонной плавки. Кристаллы можно выращивать, медленно выпаривая растворитель из раствора, охлаждая расплав или конденсируя пары. Кристаллы выращиваются из расплава по методу Бриджмена или Чохральского. 

При использовании метода Чохральского небольшой кристалл-затравка, укрепленный на вертикальной проволоке или стержне, погружается в расплав и затем медленно выводится из него. При соответствующем контроле за температурой и скоростью вытягивания из затравочного кристалла может вырасти крупный монокристалл. По методу Бриджмена расплав находится в вертикально закрепленном тигле с остроконечным дном. При медленном опускании тигля из горячей зоны в более холодную на его остром дне образуется кристалл-зародыш, который в ходе дальнейшего опускания тигля может вырасти в крупный монокристалл. Метод молекулярной эпитаксии (ММЭ) позволяет последовательно слой за слоем наращивать полупроводниковые чипы на подходящей кристаллической подложке. В каждом слое (толщина которого может не превышать диаметра одного атома) точно повторяется кристаллическая структура подложки. Нагревая ионный кристалл в парах его металлического компонента или какого-либо другого металла, в него можно ввести избыток этого металла. Во многих случаях такие легированные кристаллы обнаруживают новые интересные свойства, обусловленные именно этими внедренными на атомном уровне металлическими компонентами. Например, при нагревании хлорида натрия в парах натрия кристалл из прозрачного становится желто-коричневым; в этом случае говорят, что в кристалле появились центры окраски. В ряде случаев атомы металла, введенные в кристалл при его нагревании в металлических парах, могут коагулировать в небольшие металлические кристаллы, внедренные в исходный ионный кристалл [4,с. 112].

Выращивать кристаллы в лаборатории удаётся благодаря процессу образования кристаллов из паров, растворов. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов - центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев при росте движутся вдоль грани.

Глава 3. Выращивание кристаллов.

3.1. Исследование растворимости некоторых солей в воде.

Как показывает практика, наиболее распространёнными среди солей, из которых можно вырастить кристалл  являются: хлорид натрия NaCl, медный купорос CuSO4·5H2O, квасцы (алюмокалиевые KAl(SO4)2·12H2O, хромокалиевые KCr(SO4)2·12H2O). Менее распространены, но также используемы: сегнетова соль KNaC4H4O6·4H2O, бихромат K2Cr2O7 и хромат K2CrO4 калия, сульфат железа (II) FeSO4·7H2O, перхлорат натрия NaClO4, красная кровяная K3[Fe(CN)6] и жёлтая кровяная K4[Fe(CN)6] соли, соединения тяжелых металлов, органические соединения (гидрофталат калия KHC8O4H4, сахар C12H22O11, салициловая кислота C7H6O3, тиомочевина CS(NH2)2, различные соли органических кислот и т.п.) [приложение 3]. Однако, экспериментировать можно также с любыми другими соединениями и растворителем, заменяя воду на легколетучие спирт и эфир. Но, поскольку, самым распространённым растворителем является вода, в экспериментах была использована она, и разговор будет идти, в основном, о соединениях в ней растворимых [3, с. 132].

Для начала я исследовал растворимость некоторых солей в граммах на 100 грамм воды [приложение 1] и определил, из растворов каких солей буду выращивать кристаллы.

3.2. Выращивание монокристаллов.

Авторы многих книг по выращиванию кристаллов свои методики основывают на:

• приготовлении пересыщенных растворов (самая распространённая) с дальнейшей кристаллизацией в открытом (закрытом: термостат) сосуде;
• испарении насыщенного раствора открытым (закрытым: эксикатор) способом.

   Я использовал первый “открытый” вариант. Это не поможет полностью защитить раствор от пыли (даже накрывая фильтровальной бумагой), но этот эксперимент был не длительным. К тому же примеси будут в кристаллах по любому (другие ионы из нечистого вещества или воды и т. п.), мы можем только их слегка уменьшить.

   Для своей работы я взял четыре соли: синий медный купорос, зеленый сульфат никеля, оранжевый бихромат аммония и белый хлорид натрия.

Самыми подходящими и простыми из всех изученных мною в различных источниках оказались два метода выращивания кристаллов: метод кристаллизации при изменении температуры и метод кристаллизации при испарении растворителя. 

   Раствор приготовил из слегка тёплой (не горячей!) воды. Воду лучше брать дистиллированную, но я взял кипячёную. Химический стакан на половину объёма наполнил водой и небольшими количествами (~по 10гр) добавлял соль. После каждой новой порции соли раствор тщательно перемешивал. После того, как вещество перестаёт растворяться, добавил последние 10гр вещества и перемешал. Уже готовый раствор отфильтровал во второй химический стакан, в котором и происходил рост кристалла [приложение 4].

В первом опыте я исследовал, как условия выращивания влияют на рост кристаллов.

   Когда я приготовил насыщенные растворы всех четырех солей, то стаканы с растворами прикрыл картонными крышками и хорошо укутали, чтобы они остывали очень медленно. Поставил в   ящик, и оставили возле батареи на сутки. Отдельно один стакан оставил без укутывания и поставил просто на шкаф.

   Через сутки на дне стаканов, которые стояли в ящике, выпали довольно крупные кристаллы. Их было много, и все они были очень красивые. Кристаллы бихромата аммония были прямоугольные, кристаллы медного купороса  и хлорида натрия – как кубики, отличались только цветом и размерами,  а кристаллы сульфата никеля – прямоугольные. В стакане, который я не укутывал, выпали очень мелкие кристаллы, похожие на песок.

     В следующем опыте я попытался из полученных кристаллов вырастить более крупные.  Для этого отобрал по три кристалла разной формы и размера из каждой соли и подвесили их на капроновых нитях, приклеив скотчем к карандашам. Нити укрепил так, чтобы кристаллы оказались в насыщенных растворах. Такие кристаллики, которые затем разращиваются до более крупных размеров, называются затравкой.

Утром я увидел, что все кристаллы растворились или сильно уменьшились. Только игольчатый кристалл сульфата меди вырос раза в четыре и уже с трудом помещался в стакане. Поэтому я перенес его в другую, большую банку. Но что-то я не рассчитал, и он тоже растворился.

   Я  повторил опыт. Все растворы профильтровали, чтобы убрать примеси, которые  могли быть растворены. Например, при промышленном получении кристаллов используют специально очищенные вещества и растворитель. Потому что примеси могут стать центрами кристаллизации и дадут начало паразитическим кристаллам. А мне  нужно, чтобы лишнее вещество при охлаждении раствора осаждалось только на затравке, чтобы рос только  один кристалл. Избыток вещества осаждается и на стенках банки выше раствора. Это называется ползучестью. Чтобы бороться с ползучестью, я стенки банки выше раствора смазал парафином от свечки.

  Но повторные опыты дали те же результаты – затравки растворялись.

 Я  снова обратился к книгам и нашел, что растворение затравки – одна из главных трудностей при выращивании крупных кристаллов [1, с 104]. Так часто бывает и в лабораторных и промышленных условиях. Оказывается, чтобы найти нужные условия для выращивания крупных кристаллов, могут уйти годы труда.

3.3. Выращивание сростков кристаллов (друз)

   Это - один из самых быстрых способов выращивания кристаллов. Если выращивание одиночных кристаллов занимает много времени и рассчитано на постепенный, правильный рост кристаллов, то выращивание друзы гораздо легче, потому что оно ориентируется на быстрое, хаотическое выпадение кристаллов.   Для начала нам потребовалось приготовить перенасыщенный раствор соли в ГОРЯЧЕЙ воде. После охлаждения раствора в него вносят затравку - подвешенный на ниточке кристаллик. Уже через 5-10 часов можно увидеть большое количества кристалликов на нитке, на затравке, на дне стакана. Раствор оставляют в покое в течении 3-5 дней, затем вынимают нитку с кристаллом, раствор нагревают, добавляют воды и снова делают максимально концентрированным. После охлаждения в него вновь вносят нитку с уже подросшим кристаллом и оставляют на 3-5 дней.   Эту процедуру повторяют до тех пор, пока кристалл не достигнет необходимого размера[6].

Действительно, этим способом оказалось легко и быстро вырастить кристаллы всех четырех солей.

Заключение.

Заинтересовавшись процессом выращивания кристаллов, я изучил большое количество литературы, рассказывающей историю кристаллографии, описывающей методы выращивания кристаллов, а ,проделав опыты по их выращиванию, пришел к следующим выводам:

• Форма кристаллов одной и той же соли зависит от многих факторов:  
• Если начальная концентрация сильно высокая, то вырастет друза (сросшиеся кристаллы).  
• В течение всего времени роста кристалла желательно поддерживать одну и ту же температуру, т. к. даже незначительные перепады способны повлиять на его форму. 
• Чем медленнее охлаждается раствор, тем крупнее образуются кристаллы.
• Если раствор будет недостаточно чистым или в него попадёт пыль, то это может существенно повлиять на форму кристалла.   

Для получения одного крупного кристалла условия кристаллизации были подобраны неправильно. Вырастить крупный кристалл в обычных условиях за короткое время сложно.

Список использованных источников

1. Байкова В.М. Химия после уроков. - Петрозаводск: Карелия, 1976. – 204с.
2. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. – М.: Химия, 1967. – 254с.
3. Ольгин О. Опыты без взрывов. – М.: Просвещение, 1984. – 191с.
4. Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения. -  М.: Химия, 1995. – 399с.
5. Советы по выращиванию кристаллов. – [Электронный документ]. - http://zircon81.narod.ru/Krystalls.html
6. Выращивание кристаллов. – [Электронный документ]. - http://chemexperiment.narod.ru/krystsovet.html

Приложение 1

Растворимость некоторых солей в граммах на 100 грамм воды

Приложение 2

Схемы монокристаллов соединений, растворимых в воде

       А                                      Б                                        В

А) Монокристалл медного купороса – призма, в сечении которой лежит ромб.

Б) Монокристалл бихромата аммония – октаэдр

В) Монокристалл хлорида натрия – куб.

Приложение 3

Соли, которые можно использовать при выращивании кристаллов

  * использованные в эксперименте соли подчеркнуты

** Количество соли на 0,5 л при температуре 30оС

Приложение 4

Простейшая схема установки для выращивания кристалла